CC BY
24
© В.В. Ческидов, К.С. Коликов, А.И. Маневич, 2015
УДК 622.271
В.В. Ческидов, К.С. Коликов, А.И. Маневич
МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ОТКОСНЫХ СООРУЖЕНИЙ И ОСНОВАНИЙ НА ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
Внедрение разработанного подхода к организации комплексного мониторинга откосных сооружений на горных предприятиях, линейных сооружениях (авто и железные дороги), крупных строительных площадках включает следующие инновационные этапы:
1. Построение модели склона с учетом оценки пространственно-временной изменчивости свойств массива горных пород для проектирования оптимальных распределенных сетей сбора инженерно-геологической и гидрогеологической информации.
2. На основе построенной модели и с учетом геометрии сети выбирается оптимальный режим получения информации с целью минимизации финансовых, трудовых и временных затрат и сохранением полноты получаемой информации.
3. Проведение комплексных инженерно-геологических и гидрогеологических испытаний для получения стационарной информации (выделение инженерно-геологических элементов и определение свойств слагающих их пород, выявление фильтрационных свойств пород, областей питания и разгрузки горизонтов и т.п.).
4. Внедрение технических средств удаленного мониторинга для определения изменения гидрогеологических и геомеханических характеристик.
5. Проведение плановых дополнительных инженерно-геологических и гидрогеологических исследований (периодичность и участки проведения определяются на основе методов современной статистики и кластерного анализа) для определения временной изменчивости свойств горных пород.
Опыт создания систем мониторинга откосных сооружений был использован при реализации ряда проектов, в том числе: «Контроль состояния откосных сооружений ОАО Стойленский ГОК», «Построение моделей оползневых склонов в районе совмещенной дороги «Адлер-горноклиматический курорт Альпика-Сервис» для контроля их состояния». Разработанная и внедренная система комплексного инженерно-геологического удаленного автоматизированного мониторинга является уникальной; опыт, полученный в результате ее развертывания, может быть использован на горных предприятиях, а также при строительстве на оползнеопасных территориях. Важной отличительной чертой системы является возмож-
124
ность учета реологических свойств горных пород, что позволяет повысить надежность оценки устойчивости откосов.
Ключевые слова: мониторинг, коэффициент запаса устойчивости, инженерно-геологические исследования, складирование горнопромышленных отходов, хвостохранилище, откосные сооружения, удаленный контроль.
Мировое потребление минеральных ресурсов на протяжении всего XX и начала XXI века отличается постоянным ростом, вовлечением новых полезных ископаемых в промышленную переработку, а также высокой неоднородностью по регионам. Развитые и некоторые развивающиеся страны с высоким уровнем промышленного производства, в десятки и сотни раз по валовому объему используют природного сырья больше в сравнении со странами Африки, юго-восточной Азии. Кроме того, на сегодняшний день значительное число рудных, угольных и нефтегазоносных провинций, многие из которых используются уже более сотни лет, значительно истощены. Ярким тому примером служат многие месторождения цветных, черных и благородных металлов, а также камнесамоцветного сырья на Среднем и Южном Урале. Перечисленные факторы, а также высокая стоимость, а в некоторых случаях и невозможность транспортирования минеральных ресурсов, обусловливают необходимость разработки месторождений полезных ископаемых со сложными горно-геологическими условиями: большие глубины залегания, низкое содержание полезных компонентов, высокая обводненность, низкая устойчивость горных пород в массиве. Эти факторы, в первую очередь, приводят к увеличению объемов вскрышных пород и хвостов (на некоторых разрезах Кузнецкого бассейна в ближайшие годы коэффициент вскрыши превысит отметку в 10 м3/т). Сформированные отвалы, гидроотвалы, хвостохранилища представляют высокую экологическую опасность, особенно вкупе со сложными инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями территории [1-4, 11—13].
Как показывает проведенный анализ в последнее десятилетие в России и мире при ведении открытых горных работ значительно увеличилось количество аварийных ситуаций, связанных со зна-
125
чительными объемами оползневых масс: отвал разреза «Заречный» (27 млн м3, Россия, Кузбасс, 2015 г.), хвостохранилище Алюминиевого завода AjkaiTimfoldgyarZrt (1,1 млн м3, Венгрия, в районе г. Айка, 2010 г.), отвал ОАО «Михайловский ГОК» (10 млн м3, Россия, Курская область, 2015 г.), хвостохранилище Карамкенского ГОКа (2 млн м3, Россия, Магаданская обл., 2009 г.) и ряд других менее масштабных происшествий. Основными их причинами являются: нарушения технологического процесса, в том числе связанные с человеческим фактором, а также потеря устойчивости плотин и дамб, вызванная изменением гидрогеомеханического состояния отвальных массивов и оснований.
Прогнозирование поведения крупных техногенных массивов, сформированных в последнее пятидесятилетие в отечественной практике горного дела, осложняется отсутствием опыта их сооружения в прошлом, что в конечном итоге определяет необходимость проведения постоянных наблюдений за изменением инженерно-геологической, гидрогеологической и геомеханической обстановки, позволяющих оценить влияние природных и техногенных факторов на устойчивость откосных сооружений.
Сотрудниками Горного института НИТУ «МИСиС» в течение более трех десятков лет проводятся разработки методов и технических средств оценки состояния откосных сооружений и их оснований на горных предприятиях. Основными направлениями при этом являются:
- разработка способов и устройств сбора, хранения и передачи гидрогеологической и инженерно-геологической информации в автоматизированном режиме;
- обоснование методов проектирования сетей сбора данных в процессе мониторинга и исследований объектов с минимально возможной плотностью без потери достоверности получаемых данных;
- разработка способов и технических средств определения свойств глинистых пород в массиве.
С развитием телекоммуникационных технологий стало возможным создание систем контроля и управления удаленным объектом с помощью спутниковой или сотовой связи, последняя из них отличается относительно низкой стоимостью и простотой внедрения и использования. В течение 2012 г. и первого квартала 2013 г. сотрудниками кафедры геологии
126
(ныне Геологии и маркшейдерского дела) был выполнен ряд работ, который включал анализ отечественного и зарубежного опыта использования беспроводных систем контроля на горных предприятиях и в строительстве, а также проектирование и разработку устройства, обеспечивающего устойчивый сбор и передачу данных о состоянии породного массива. При беспроводной передаче данных существенно расширяется диапазон объектов возможного внедрения системы контроля, так как на отвалах, дамбах, оползневых склонах, сложенных крупнообломочным и глыбовым материалом, прокладка кабеля практически невозможна. Также существенно упростилась задача пересечения дорог, водоотводных канав и других природных и техногенных преград. В результате проведенных работ были спроектированы схемы сбора и передачи данных, представленные на рис. 1 [6].
К середине 2015 года произведена разработка и осуществлено внедрение на откосных сооружениях хвостохранилища
Рис. 1. Удаленный контроль устойчивости дамбы: а — схема сбора гидрогеологической информации на откосном сооружении: 1 — тело дамбы, 2 — датчик ПДС; 3 — даталоггер; 4 — станция приема данных; 5 — программа-анализатор данных; 6 — станция оператора мобильной связи; 7 — кривая скольжения; 8 — кривая дипрессии; б — схема передачи и обработки данных
127
ОАО «Стойленский ГОК» нового устройства дистанционного сбора, первичной обработки и передачи гидрогеологической информации с участием института ВСЕГИНГЕО и сотрудников кафедры геологии. При ее создании были максимально учтены недостатки существующих систем, применен новый порядок передачи данных. Разработанное устройство включает в себя корпус цилиндрической формы, в котором находятся батарейка, микросхема, антенна, пластиковая крышка с уплотнительной резиновой прокладкой внутри. Принцип функционирования устройства заключается в запрограммированном считывании информации со струнного датчика, и ее передачи по мобильному интернет-каналу при достаточном уровне сигнала мобильной связи на электронную почту или в виде смс-сообщения на заданный номер. Устройство отвечает основным требованиям, предъявляемым к системам автоматизированного сбора информации о состоянии откосного сооружения:
- располагается в устье скважины на небольшой глубине;
- работает в необслуживаемом режиме длительное время (более полугода);
- функционирует в полевых условиях в любой погодной обстановке условиях;
- предусмотрены меры защиты от внешнего механического воздействия;
- обслуживает до 3-х датчиков в скважине;
- информация передается с заданной периодичностью, а также в случае превышения измеренных значений предварительно заданных величин (подается аварийный сигнал — ALARM REGIME);
- предусмотрена возможность получения информации по команде извне (в этом режиме модем GSM должен быть постоянно включен, что требует мощного источника питания) [7].
Для интерактивной оценки состояния откосного сооружения, на основе имеющихся инженерно-геологических сведений (статический вид информации изменяется только при проведении комплексных изысканий и определении физико-механических характеристик выделенных в разрезе инженерно-геологических элементов) и данных, полученных с использованием системы удаленного контроля (динамическая информация), был разработан программный комплекс Geodamp. Свидетельство о государ-
128
ственной регистрации программы № 2012619443 от 18.12.2012 г. Программа предназначена для расчетов коэффициента запаса устойчивости откосных сооружений в сухом и обводненном состояниях методами алгебраического суммирования и многоугольника сил. Может применяться для автоматизации работы инженеров, при проведении научных исследований, в качестве учебного приложения.
Приложение обеспечивает выполнение следующих функций:
- построение и визуализация двухмерных моделей откосных сооружений;
- построение депрессионных кривых по координатам и показаниям датчиков порового давления;
- импорт моделей откосных сооружений из формата^£
- расчеты коэффициента запаса устойчивости.
Данный программный продукт также был использован при моделировании оползнеопасных склонов в районе строительства совмещенной дороги «Адлер — горноклиматический курорт Альпика-Сервис» и проведении обратных расчетов с целью выявления критических значений по заданному набору параметров. В результате были получены зависимости между уровнями воды в гидрогеологических скважинах и значениями коэффициента запаса устойчивости (рис. 2).
Совершенствование и дальнейшее развитие систем дистанционного автоматизированного контроля обусловлено возможностью его использования с датчиками различного типа. Перспективным выглядит использование в нашей стране в условиях обширного распространения многолетней и сезонной мерзлоты, датчиков температуры. Внедрение удаленного контроля на дамбах хвостохранилищ Якутии позволит вести непрерывный мониторинг изменения температуры материала дамб и их оснований, через них оценивать изменения прочности системы «насыпь-основание».
Для построения моделей откосных сооружений необходимо владеть достоверной и достаточной инженерно-геологической информацией. В связи с этим на начальных этапах внедрения систем мониторинга необходимо проводить комплексные изыскания, которые отличаются высокой стоимостью и требуют значительного времени их осуществления. Для построения сетей опробования с оптимальной плотностью был разработан метод,
129
Рис. 2а. Расчет коэффициента запаса устойчивости склона в районе строительства железнодорожного вокзала Альпика-Сервис в программе Geodamp при степени обводненности массива SPw = 0,6
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
степень обводненности, д.е.
Рис. 2б. Зависимость коэффициента запаса устойчивости от степени обводненности (критическая степень обводненности массива, при которой коэффициент запаса равен 1, составляет 0,7504; при степени обводненности 0,6656 коэффициент запаса достигает значения 1,05)
опирающийся на законы кластерного анализа, при этом каждая определяемая характеристика отложений является осью в многомерном параметрическом пространстве, в котором определяется мера различий как Евклидово расстояние, на основе последней в конечном итоге точки объединяются в группы. Таким образом, определяются границы между инженерно-геологическими элементами и их характеристики [7-9].
На основе вышепредставленного метода были построены сети опробования и осуществлены изыскания на ряде объектов горного производства и строительства, в том числе: на гидроотвале № 3 Кедровского угольного разреза, головной плотине и дамбе защиты отвалов хвостохранилища ОАО «Стойленский ГОК», оползнеопасных склонах вблизи строительства железнодорожного вокзала «Альпика-Сервис» и другие.
Для проектирования мероприятий по переформированию тела гидроотвала № 3 Кедровского угольного разреза на основе материалов прошлых исследований была получена обобщенная функция изменчивости свойств массива. Она показывает степень отличия в долях единицы свойств намывных отложений в точке относительно начала отсчета и имеет вид:
х) = £ у, к( х) = ^^,
/=1 'шах
где Ы = Ы -
у/ = 0 ; х — номер точки опробования
Ф/ =
п4 _Е I=14 £ П М )2
Н — количество исследуемых характеристик; п — число измерений; — значение у'-й -характеристики в /'-й точке.
С помощью обобщенной функции изменчивости в соответствии с основной целью проведения изысканий и разработанным методом позиционирования точек получения информации [7-9], спроектирована сеть опробования, включающая шесть выработок: четыре зондировочные и две инженерно-геологические скважины (рис. 3) [10].
Программа инженерно-геологических исследований включала проведение комплексного зондирования устройством МГГУ-
131
Рис. 3. План гидроотвала № 3 с указанием точек зондирования и отбора проб
ДИГЭС, которое предусматривало совместные определения общего порового давления Рк, сопротивлений пенетрации (#з) и вращательному срезу (тк). По данным зондирования с применением метода наименьших квадратов были рассчитаны значения угла внутреннего трения и удельного сцепления (рис. 4, 5). В настоящее время разрабатывается система дистанционной передачи данных комплексного зондирования сотрудниками МГИ и ВСЕГИНГЕО.
Представленный метод оценки пространственно-временной изменчивости и проектирования сетей точек сбора информации также используется при дополнительных изысканиях,
132
сопротивление сдвигу т, кг/см2 о од од 0,3 0,4 0,5
0 -2 -4 -6 -5 в § 10 - - -скв .2 --скв.З ----скв.4
V© I12- 14 -16 18 -20 - -скв.7
Рис. 4. Сопротивление сдвигу техногенных отложений гидроотвала № 3 разреза «Кедровский»
т = 0,1325сн + 0,0992 ю = 7,55°, С = 0,0992 кг/см2(МПа-10 >)
0 0,5 1,2 1-5 2
С, КГ/СМ'1
Рис.5. Усредненные значения сцепления и угла внутреннего трения отложений гидроотвала № 3
которые предусматривает программа мониторинга откосных сооружений. Комплексные исследования тела и основания откосного сооружения c интервалом в среднем в четыре-пять лет дают возможность оценить временную изменчивость свойств глинистых пород. Это в свою очередь с высокой точностью позволяет рассчитывать коэффициент запаса устойчивости с применением данных, полученных с помощью систем дистанционного контроля.
Разработанная система комплексного гидрогеомеханического автоматизированного мониторинга является уникальной. Опыт, полученный в результате ее развертывания, может быть исполь-
133
зован на горных предприятиях, а также при строительстве на оползнеопасных территориях. Важной отличительной чертой системы является возможность учета реологических свойств горных пород, что позволяет повысить надежность оценки устойчивости откосов. Проектирование сетей сбора данных на основе обобщенной функции изменчивости набора свойств горных пород позволяет значительно снизить финансовые, трудовые и временные затраты за счет минимизации количества точек получения информации, без потери ее достоверности и полноты.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бондарик Г.К. Инженерно-геологические изыскания: Учебник / Бондарик Г.К., Ярг Л.А. — 2-е изд. — Бондарик Г.К., Ярг Л.А. — 2-е изд. — М.: КДУ, 2008.
2. Гальперин А.М. Геомеханика открытых горных работ. — М.: Изд. МГГУ, 2003.
3. Гальперин А.М, Бородина Ю.В., Ческидов В.В., Демидов А.В. Прогноз и контроль нестационарных геомеханических процессов в горнотехнической и строительной практике // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология. — 2014. — № 6.
4. Кириченко Ю.В., Яковлева Т.П. Инженерно-геологические и геоэкологические аспекты поисковых работ на углеводородное сырье // ГИАБ. — 2014. — № 11.
5. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А. Методология инженерно-геологического изучения гидрогеомеханических процессов в техногенно нарушенных массивах при разработке МПИ // ГИАБ. — 2014. — № 8.
6. Петряков А.М. Оперативный контроль устойчивости обводненных откосных сооружений и несущей способности оснований отвальных массивов в горнотехнической практике // Маркшейдерия и недропользование. — 2013. — № 6.
7. Ческидов В.В. Перспективы использования САПР при инженерно-геологических изысканиях на открытых горных разработках // ГИАБ. — 2011. — № 11.
8. Ческидов В.В. Инженерно-геологическое обеспечение управления состоянием массивов горных пород на оползнеопасных территориях // Горная промышленность. — 2015. — № 1 (119).
9. Ческидов В.В. Проектирование сетей инженерно-геологических изысканий на объектах горнодобывающей промышленности // Горный журнал. — 2011. — № 12.
10. Ческидов В.В. Комплексное зондирование намывных отложений гидроотвала № 3 разреза «Кедровский» // Горная промышленность. — 2011. — № 6 (100).
134
11. Edrisi G, Ajalloeian R. Engineering and structural geology evaluation of Khansar-Boien Miyandasht tunnel // Electronic Journal of Geotechnical Engineering. — 2015. — Vol. 20, Is. 7. — Р. 1751-1764, ISSN: 10893032, DOI: 10.2113/gseegeosci.18.2.113
12. Mortimore R., Newman T.G., Royse K., Scholes H., Lawrence U. Chalk: Its stratigraphy, structure and engineering geology: In east London and the Thames Gateway // Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeol-ogy. — 2011. — Vol. 44. — Р. 419-444, ISSN: 14709236, DOI: 10.1144/14709236/10-013
13. GurungN., Haneberg W.C., Ramana G.V., Datta M. Engineering geology and stability of the laprak landslide, gorkha district, western Nepal // Environmental and Engineering Geoscience. — 2011. Vol. 17. — P. 23-38, ISSN: 10787275 DOI: 10.2113/gseegeosci.17.1.23
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Ческидов Василий Владимирович — канд. техн. наук, доцент кафедры «Геология и маркшейдерское дело» Горного института НИТУ «МИСиС», Москва, e-mail: [email protected]
Коликов Константин Сергеевич — д-р техн. наук, проф., и.о. заведующего кафедрой «Безопасность и экология горного производства» Горного института НИТУ «МИСиС», Москва, e-mail: [email protected]
Маневич Александр Ильич — студент кафедры «Безопасность и экология горного производства» Горного института НИТУ МИСиС, Москва, e-mail: [email protected]
UDC 622.271
MONITORING OF SLOPES AND SUBSTRUCTURES IN MINES
Cheskidov Vasilyi V, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Department of «Geology and Mine Surveying» NUST «MISIS» MMI, Moscow, e-mail: [email protected]
Kolikov Konstantin S., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Head of Department, Department of «Mining Safety and Ecology» NUST «MISIS» MMI, Moscow, e-mail: [email protected]
Manevich Alexandr I., Student, Department of «Mining Safety and Ecology» NUST «MISIS» MMI, Moscow, e-mail: [email protected]
135
The introduction of devised method for a complex monitoring of sloping structures organization in mining enterprises, linear structures (highways and railways) and on large building sites includes such innovative steps as:
1. Building a model of a slope based on the assessment of spatial and temporal variability of characteristics of the rock mass for designing optimal assigned networks for engineering-geological and hydrogeological information gaining.
2. Then the optimal mode of gaining information is selected on the basis of the constructed model and with due regard for the geometry of network in order to minimize financial, labor and time costs and to preserve the integrity of the received information.
3. Conducting complex geotechnical and hydrogeological tests to collect stationary information (the selection of elements and determination of rocks properties these elements are made of, identification of the filtration properties of rocks, areas of nutrition and unloading horizons, etc.)
4. Introduction of technical means of remote monitoring for determining changes in hydrogeological and biomechanical characteristics.
5. Conducting systematic additional engineering and geological and hydrogeological studies (periodicity and areas are defined according to the methods of modern statistics and cluster analysis) for determination of temporal variability of the rocks characteristics.
The experience of creating monitoring systems of sloping structures was used in a number of projects including: «The control of the sloping structures of the Mining Corporation "Stoilensky"», «Building models of the landslide slopes in the area where the road was aligned for the control of the "Adler-mountain resort Alpika-Service"».
The system of engineering and geological remote automatical monitoring was developed and implemented as unique. The experience was gained as a result of its deployment and can be used in mining enterprises as well as construction in the landslide-prone areas. The main feature of the system is the possibility of taking the rheological properties of rocks, it helps to improve the reliability assessment of the stability of slopes.
Key words: monitoring, the coefficient stability, engineering-geological investigations, storage of mining-industrial wastes, tailings, slope constructions, remote control.
References
1. Bondarik G.K. Inzhenerno-geologicheskie izyskaniya: uchebnik, Moscow, KDU, 2008.
2. Gal'perin A.M. Geomekhanika otkrytykh gornykh rabot, Moscow, Izd. MGGU, 2003.
3. Gal'perin A.M., Borodina YU.V., Cheskidov V.V., Demidov A.V. Moscow, Geoekologiya, inzhenernaya geologiya, gidrogeologiya, geokriologiya, 2014, no. 6.
136
4. Kirichenko Yu.V., Yakovleva T.P. Gornyj informacionno-analiticheskij byulleten, 2014, no. 11.
5. Kutepov Yu.I., Kutepova N.A. Gornyj informacionno-analiticheskij byulleten, 2014, no. 8.
6. Petryakov A.M. Markshejderiya i nedropolzovanie, 2013, no. 6.
7. Cheskidov V.V. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten, 2011, no. 11.
8. Cheskidov V.V. Gornaya promyshlennost', 2015, no. 1 (119).
9. Cheskidov V.V. Gornyj zhurnal, 2011, no. 12.
10. Cheskidov V.V. Gornaya promyshlennost, 2011, no. 6 (100).
11. Edrisi G., Ajalloeian R. Engineering and structural geology evaluation of Khansar-Boien Miyandasht tunnel, Electronic Journal of Geotechnical Engineering, 2015, vol. 20, issue 7, pp. 1751-1764 (doi: 10.2113/gseegeosci.18.2.113).
12. Mortimore R., Newman T.G., Royse K., Scholes H., Lawrence U. Chalk: Its stratigraphy, structure and engineering geology: In east London and the Thames Gateway, Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, 2011, vol. 44, pp. 419-444 (doi: 10.1144/1470-9236/10-013).
13. Gurung N., Haneberg W.C., Ramana G.V., Datta M. Engineering geology and stability of the laprak landslide, gorkha district, western Nepal, Environmental and Engineering Geoscience, 2011, vol. 17, pp. 23-38 (doi: 10.2113/ gseegeosci.17.1.23).
137
